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1、华中科技大学 硕士学位论文 自动光学检测中连续运动取像系统的设计与实现 姓名：姚立强 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：武剑洁 20071001 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 在印刷电路板组装与制造工业中，人工检测已经逐渐无法满足生产的要求，自 动光学检测设备开始越来越多地被应用到了组装质量的检测中。 自动光学检测是指用光学成像技术获取被检测物的数字图像，然后由计算机对 图像进行计算以实现对被检测物的检验、分析和判断。在 SMT 生产线上，自动光学 检测系统用光学手段获取被测贴装板的图像，然后用图像匹
2、配检测图像中贴片元件 的位置来检测电路板上的元件是否有缺件、偏位等情况。 在线 AOI 的运动取像系统主要分为走停方式(Stop-and-Go)和连续运动方式 (Read-on-the-fly)两种。两种方式各有优劣，其中前一种是现在 AOI 产品普遍采用的 一种方式。可是，连续运动方式更利于提高 AOI 的整体取像速度。 系统图像获取部分采用了康柰视公司的 MVS-8500 系列影像卡和索尼的 HR-70 系列 CCD 相机， IO 控制和到位检测部分分别由研华的 PCI-1751 卡和 PCI-1784 计数 卡完成，而运动部件采用了雅马哈公司的 DRCX 系列的双轴 Robot 控制器和
3、 XY-X 系列两轴直交机器人。 整个软件主要在.net 平台下实现，采用了 C#语言进行开发。同时在部分影像处 理和模板匹配的运算上调用了康柰视 VisionPro R的图像处理库。 软件的功能主要包括 运动控制、IO 控制、取像和预处理（元件提取） 。系统各个功能模块均经过测试，达 到了预期结果。 关键词：关键词：自动光学检测 连续运动取像 走停取像方式 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract In the PCB (Printed Circuit Board) Assembly and manufacture
4、 industry, Manual Vision Inspection (MVI) is not yet satisfies the quest, Automated Optical Inspection (AOI) systems are more and more used in the PCB (Printed Circuit Board) Assembly field for inspecting the PCB assembling quality. Automated Optical Inspection systems integrated performance of came
5、ra、lighting system design and vision algorithms to meet the quality control requirements. In Surface Mount Technology (SMT) production line, Automated Optical Inspection systems use charge-coupled device (CCD) cameras to acquire images of the circuit board, and the images are analyzed to determine w
6、hether there are any defects in each area of the board. Automated Optical Inspection systems can identify process problems resulting in missing and misplaced components. On-line AOIs image acquires system mainly include two kinds of method: Stop-and-Go and Read-on-the-fly. They are each to have adva
7、ntage and disadvantage, and the first method is most used. But Read-on-the-fly has obvious advantage on the inspect speed. The system is mainly include several hardware: Cognex R MVS-8500 series image card and Sony R HR-70 series CCD camera; AdvantechR PCI-1751 io card and PCI-1784 counter card; Yam
8、aha R DRCX series robot controller. Software based on Microsoft .net platform, used C# to develop. Some image process used VisionPros library. Experiment proved that, all the function is done in the rough. Key Words: Automatic optical inspection Read-on-the-fly Stop-and-Go 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华
9、中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大
10、 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题的目的和意义课题的目的和意义 随着 SMT(表面贴装技术)的飞速发展，加速了 PCB 制造朝微型化和集成化方向 发展的趋势，同时生产效率也得到了大幅的提升。这在给 PCB 制造业带来空前繁荣
11、 的同时，也给自动光学检测(AOI)带来了新的难题1。 一方面，元器件的微型化就要求 AOI 具有更高的检测精度。可是在处理算法不 变的前提下，检测精度的提升只能依靠相机解析度的提升或者 FOV（CCD 的有效视 窗面积）的缩小，这在提升检测精度的同时，也延长了取像和处理的时间，从而减 慢了 AOI 的运行速度。 另一方面，生产效率的提升就必然要求检测速度也要有相应的提升，否则就会 成为生产线的瓶颈。这两个方面的要求互相矛盾却又同等重要，解决这个矛盾就成 了 AOI 发展的一个重要问题。 在 PCB 组装和制造业，元器件的微型化和密集化是长期以来的发展趋势2，这 使得自动光学检测系统(AOI)
12、成为生产线上越来越重要的一环。在目前的电子制造环 境下，依靠人工已经不可能对分布细密的元件进行可靠而一致的检测，更不用说保 存精确的检测记录。而 AOI 设备则可以进行反复而精确的检测，并通过检测结果的 存贮和发布帮助实现生产过程自动化。 经过近十年的努力，自动光学检测系统最终被成功地运用在各类印刷电路板的 生产线上。而在这段时间内，AOI 供应商的数量也急剧增加，各种 AOI 技术得到了 长足发展。目前，从简单的摄像系统到复杂的 3-D X 光检测系统，众多的供应商们 已经能够提供几乎可以适用于所有自动生产线的 AOI 设备。 在 SMT 生产线中引入 AOI 设备的意义3在于： 1) 业务
13、拓展的坚强后盾 越来越多的客户在给 SMT 加工厂的订单时会要求使用 AOI 来检测自己的产 品。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 SMT 工厂同样需要通过完善自己的品控系统，来吸引客户的眼球。 通过购买和使用 AOI，切实提高产品的良率，强化市场的竞争力。 2) 品质控制的尖兵利器 随着元器件向着越来越小型化的方向发展，特别是由于 0402 和 0201 器件的 普及以及无铅焊接所带来的贴装和焊接缺陷越来越多，人工目测对不良品的发现率 大约在 70左右，而 AOI 对不良品的发现率则可以稳定在 95以上。 由于人员流失严重，
14、培训一个熟练员工的速度已经远远落后于员工流失的速 度，所以 AOI 可以作为现实生产状况的补充，减少人员流失带来的影响。 AOI 是一个稳定的程序化的品质管理手段， 通过 SPC 的记录， 能让现场及品 控人员及时得到品质波动的信息，并依此判断出波动的原因并加以改善。 3) 成本控制的重要手段 能减少员工的数量及成本支出。 一台 AOI 加一个员工的工作效率相当于四名 员工的工作效率，就此而言，加上白班和晚班，就可以减少 6 个员工的数量。按照 每位员工月薪 1000 计算，一台 AOI 一年就为厂家节约人力成本 7.2 万元，4 年就可 收回 AOI 的投资。 AOI 能及时的发现不良品，通
15、过现场人员的有效管控，减少了维修成本。 4) 生产工艺的重要一环 由于 AOI 能放置在不同的产线位置，融入产线后能及时发现生产线上的不 良，通过分析这些不良的规律，指导在线工程师对生产工艺加以改进，更好的减少 产线产生的品质上的问题。 与员工目视、ICT、X-RAY 检测有机的结合在一起，能更好的发现潜在的工 艺问题。 本文尝试从取像环节来缩短 AOI 系统的总体检测时间，依据 Read-on-the-fly 模 式对图像采集系统和运动控制系统进行设计，并实现相应的软件部分。最后根据实 际数据和影像，与 Stop-and-Go 模式进行对比，从而得出系统的优缺点和改进方向。 华 中 科 技
16、大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2 AOI 技术的作用和发展现状技术的作用和发展现状 1.2.1 发展现状发展现状 AOI 技术应用于 PCB 制造业已有 15 年以上的历史，但真正在行业普遍推广应 该是在 90 年代初5。目前用于 PCB 检测的 AOI 设备比起若干年前己经有了很大的 改善，性能优越的工作台系统，先进的光学系统、创新的照明设计方案，以及复杂 的识别算法己经能在实现高生产率的情况下，获得很高的缺陷捕获率。 由子 AOI 设备技术壁垒较高，目前世界上主要有 5 家竞争对手6在供应 AOI 设 备，以泰瑞达(最大的 AOI 设备供应商)、奥宝科技(专业 AOI 生产商)代表了该技术 领域的制造和综合应用水平，目前国内 AOI 设备市场主要被奥宝科技和 Camtek 所 占领。泰瑞达的 Optima 7300 是目前市场上较快的在线自动光学检测设备，该设备采 用了崭新的高速 X-Y
